基于Matlab的船舶电力系统电流保护协调性分析软件设计.docx

基于 Matlab 的船舶电力系统电流保护协调性分析软件设计曾宪敏 1，曾祥君 1，毕大强 2，张芳 1，王良秀 3（1.智能电网运行与控制湖南省重点实验室，长沙理工大学，湖南长沙 410076；2.电力系统国家重点实验室，清华大 学电机系，北京 100084；3. 中国船舶重工集团公司第七 O 四研究所，上海 200031）摘 要：利用 Matlab/Simulink 仿真工具箱和友好的图形用户界面 GUI，实现船舶电力系统电流保护协调性分析软件的设计。其界面能显示不同位置电流继电器的保护整定值及动作时间等参数，并可按用户要求绘 制和调试上下级保护以及电流三段保护配合曲线。界面中的继电器参数可直接传递给 Simulink 中相应继电 器，方便直观地对系统上下级保护和电流三段保护之间的协调性进行分析。仿真算例验证了软件的保护协 调性分析功能。关键词：船舶电力 Matlab GUI Simulink 电流保护配合中图分类号：TM773文献标识码：A文章编号：1003-4862（2014）10-0015-04DOI:10.13632/j.meee.2014.10.004Design of a Current Protection Coordination Analysis Software for Shipboard Power System Based on MatlabZeng Xianmin1, Zeng Xiangjun1, Bi Daqiang2, Zhang Fang1, Wang Liangxiu3(1. Changsha University of Science and Technolngy, Changsha 410076, China; 2. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031,China, China)Abstract：A current protection coordination analysis software is designed for shipboard power system, byusing of Matlab/Simulink toolbox and friendly graphical user interface GUI. The interface can display the parameters of current relay, such as the protection setting value and action time. It also can draw and debug the superior and subordinate protections and the three segment current protections cooperation curves according to the requirements of clients. The parameters of relay can be directly transmitted to the corresponding relay in simulink, so that the clients can analyze the coordination between superior and subordinate protections, as well as the three segment current protections more conveniently. The simulation examples verified the protection coordination analysis function of developed software .Keywords：shipboard power system; Matlab; GUI; Simulink; current protection方法、上下级保护的配合是否合适。保护协调配合复 杂，传统人 工整定效率 比较低。考 虑到 Matlab/simulink 在船舶电力系统仿真中的应用， 本文利用 Matlab GUI 设计了中压船舶电力系统 电流 保护协调性 分析软件， 并结合实际 系统 Simulink 模型对该软件进行仿真。0引言随着船舶电力系统结构形式日趋复杂、电压 等级提高、设备趋向大容量化，对供电可靠性的 要求越来越高，从而船舶电力系统保护及协调性 分析显得越来越重要1-2。保护协调性分析是验证 保护动作顺序是否正确、保护是否具有选择性的1电流保护协调性分析软件的设计收稿日期：2014-01-13作者简介：曾宪敏（1989-），男，硕士研究生。研究方 向：船舶电力系统保护。1.1 软件设计基本流程该软件设计流程如图 1 所示，首先按软件需15船电技术|电力系统Vol.34No.102014.10要选择控件，完成界面布局；然后给控件加入自定义的初始化函数，实现其功能；再整定各个继 电器参数，绘制保护配合曲线；最后通过 Simulink 模型实现联合仿真验证。相应继电器的名称一致，以实现 GUI 与 Simulink中相应继电器的参数传递；2 区的加减按钮用于 选择继电器的个数，图示是选择了两个继电器；3 区是继电器电流三段保护的一些参数，用户只需 要用鼠标、键盘就可以随意更改这些参数，却并 不需要更改内部程序6；4 区和 5 区是用于更改 图形界面的 Y 轴和 X 轴的最大值；6 区是反时限 曲线参数 Tp 的最小值，是软件自动计算的结果， 用于输入 Tp 的参考值。图 1 电流保护协调性分析软件设计流程图1.2 GUI 界面设计实现在 Matlab 环境下,要设计一个界面友好的计 算机仿真软 件 , 设计过 程主要包括 两大部分 ： 1)GUI 界面设计；2)回调程序的设计3。GUI 通 常包含三个主要的部分：窗口系统、图形对象和应用程序接口4。GUI 是个树状的结构，如图 所示。2图 3 电流保护协调性分析软件界面图参数设定好后绘图，坐标轴上显示所选用的 继电器的动态仿真比较曲线。再通过“数据传输到 Simulink”按钮把继电器参数传递到 Simulink 仿 真模型中，进行仿真验证。1.3 保护动作反时限特性曲线反时限过电流保护是动作时限与被保护线路 中电流大小有关的一种保护，当电流大时保护的 动作时限短，而电流小时动作时限长7。其动作 特性曲线如图4所示。软件中可以选择设置不同规 范的反时限曲线。ROOTFIGUREAXESUIMENUUICONTROLTEXTBUTTONSIMAGELINEPATCHEDITSLIDERSLIGHTTEXTSURFACE图 2 GUI 的基本结构GUI 界面设计主要包括控件摆放和属性设 置。打开 GUI 后，系统会自动生成 fig 以及 m 文 件，如常用的界面资源文件和后台代码文件，关 于事件处理的代码可以在 m 文件中编写5。按中压船舶电力系统电流保护协调性分析软 件需求，将相应控件合理布局在 GUI 界面上，通 过设置每个控件的属性，可以控制控件的外形、 功能及效果。图 3 是基于 Matlab 图形用户界面开发环境 GUI 开发出来的仿真界面，中压船舶电力系统电 流保护协调性分析软件界面图。图中 1 区显示各个继电器的名称，其命名方 式为relay+数字，该名字必须与 Simulink 模型中16t0Ik.actIk图 4 反时限过电流保护的动作特性曲线从图 3 中的 GUI 界面可以看出，每个继电 器都包含瞬时电流速断保护、短延时电流速断保 护和反时限过电流保护。其中反时限过电流保护船电技术|电力系统Vol.34No.102014.10动作特性曲线可在 IEC60255 规范的 3 种曲线（IEC255-3-A、IEC255-3-B、IEC255-3-C）和 ANSI规范的 5 中曲线（ANSI-A、ANSI-B、ANSI-C、 ANSI-D、ANSI-E）之间任意选择，图 3 中曲线 类型处 各 继电器 统 一选择 一 般反时限 （IEC255-3-A）做实验验证。1.4 GUI 界面控件回调程序的设计完成了 GUI 界面控件布局之后，再通过编写 各个控件的回调程序来实现控件的功能，回调程 序是图形界面最重要的部分。M 文件给回调函数 的运行提供了一个框架（在 GUI 中激活控件以实 现它的功能）。该软件界面使用了 pushbuttons、 radiobutton、popupmenus 和 slider 四种控件，使 用这四种控件时系统会自动生成以下语句： 1）Function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)2）function radiobutton8_Callback(hObject, eventdata, handles)3）function popupmenu3_Callback(hObject,eventdata, handles)4）function slider12_Callback(hObject, eventdata, handles)其中 pushbutton1、radiobutton8、popupmenu3和 slider12 为控件的 Tag（标签）属性值，数字 是该控件的一个编号。hObject 就是当前要执行 Callback 的元件（例如，pushbutton 等），eventdata 这是 Matlab 保留的一个参数，handles 就是当前 figure 的句柄。在上述语句下面编写当前控件的 回调函数，就可以实现控件需要实现的功能。当 用鼠标或键盘操作控件时，被认为是触发，回调 程序必须响应8。Callback 是其中的一种回调方 式，根据 需要可选 择其他回 调方式，如 ButtonDownFcn，CreateFcn 等9。2 仿真验证2.1 Simulink 搭建的船舶电力系统模型参照船舶电力系统设备的一些参数，设计一 个简单的 AC 6.3KV、50Hz 中压船舶电力系统， 用于对电流保护协调性分析软件进行仿真验证。 总体结构如图 5 所示。其中 station1 是一个 6.25 MVA、6.3 kV、50 Hz 的三相交流同步发电机， relay20 和 relay21 是与图 3 中 1 区相对应的两个 继电器，线路末端是两个等效负荷。在 0.5 s 时设 置了一个三相短路故障10。2.2 GUI 和 Simulink 之间参数传递该软件是基于 GUI 和 Simulink 联合仿真实现 的。在 GUI 设置“”，“”控件来选择需要进行 协调分析的继电器个数，图 5 中包含了继电器 relay20 和 relay21，以该图为例验证软件的应用。 首先需要计算两继电器的速断电流整定值和动作 时间，短延时电流整定值和延迟时间，以及反时 限动作曲线的选择。在图 3 中 3 区设置各个继电 器的参数，并绘制和调试两个继电器保护配合曲 线，然后点击“数据传输到 Simulink”控件，系统 会自动打开图 5 所示的 Simulink 模型，并通过该 控件的一段子程序来实现 GUI 和 Simulink 之间的 参数的一键传递，并进行仿真验证分析。图 5 电流保护协调性分析仿真验证模型图2.3 Simulink 仿真结果分析2.3.1 保护不协调动作的仿真结果按图 3 所示的 relay20 和 relay21 参数绘制保 护配合曲线图，两个保护动作曲线是交叉的。其 中每条动作曲线分为三段，右边直线段、中间直 线段和左边曲线段，分别为瞬时速断、短延时速 断和反时限电流保护的动作曲线。将数据传递到 Simulink 模型，仿真时间设置为 2 s。经测定系统 短路电流值大于 relay20 和 relay21 两个继电器的 瞬时电流速断保护整定值，继电器跳闸时间决定 于瞬时电流速断保护动作时间，所以两个继电器 的三段保护都应该发出跳闸信号。结果显示按照 图 3 所示的整定值，两个继电器的跳闸时间如图 6 所示，relay21 比 relay20 先跳闸，上级保护 relay20 没有延时动作，这不符合保护选择性要求，得调整继电器的参数，使各保护能协调动作。2.3.2 保护协调动作的仿真结果调整图 3 中继电器参数，结果如图 7 所示， relay21 的瞬时电流速断保护、短延时电流速断保 护、反时限过电流保护分别在故障发生后 0.1、 0.3、0.3 s 发跳闸信号，relay20 的瞬时电流速断 保护、短延时电流速断保护、反时限过电流保护 分别在故障发生后 0.2、0.4、0.4 s 发跳闸信号。17船电技术|电力系统Vol.34No.102014.10显然 relay20 比 relay21 延时动作，符合上下级继电器保护动作选择性的要求。3结论本文提出了基于 GUI 和 Simulink 联合仿真实现的中压船舶电力系统电流保护配合分析软件。该软件能按用户需要，绘制和调试各个继电器保 护配合曲线，并能将 GUI 中参数一键传递到 Simulink 模型中仿真验证。这为船舶电力系统中 分析与验证多个电流继电器之间的整定配合，提 高保护的选择性提供了一种工具。图 6 relay20 和 relay21 跳闸时间参考文献：王家林等. 船舶电力系统智能保护关键技术探讨. 电力系统及其自动化学报. 2012, 24（4）:106-110. 马伟明. 舰船动力发展方向综合电力系统J. 海军 工程大学学报. 2002. 14(6): 1-5.褚丹雷, 薛小龙, 胡国清. 基于 Matlab-GUI 界面的计 算机控制系统设计及 Simulink 动态仿真. 探测与控 制学报, 2002, 24(1). 50Muhammad Hilmi R. A. Aziz, Lee Kim Huat & Rosmiwati Mohd-Mokhtar. Development of Matlab GUI for Multivariable Frequency Sampling Filters Model. IEEE Control and System Graduate Research Colloquium, 2012.李春莹. 基于 GUI 界面的整流器瞬态电流控制算法研究. 工业控制计算机, 2012, 25(6): 90.M G Rabbani, A. B. M Nasiruzzaman, R. I Sheikh, Md Shamim Anower. MATLAB Based Fault Analysis Toolbox for Electrical Power System . Electrical and Computer Engineering. Bangladesh. ICECE2006. 2006.贺家李, 李永丽, 董新洲, 李斌. 电力系统继电保护原理（第四版）. 北京: 中国电力出版社: 44.M. Stephens. Creating GUIs in Matlab, April 2, 2007. 1-8.张立炎 等 . 燃料电 池